Обработка металла под давлением

                                               Введение

     Необходимость повышения требований к качеству стали, ограниченные возможности регулирования  физических и физико-химических условий  протекания процессов плавки стали  в сталеплавильных агрегатах (дуговых  печах, конвертерах и др.) привели  к созданию новых сталеплавильных  процессов, соответствующих современному уровню развития техники. Одним из элементов  таких технологий является внепечная  обработка стали (другие названия: внепечная металлургия, ковшевая металлургия, ковшевое рафинирование [1]). Обеспечивая получение не только высокого качества, но и повышение производительности сталеплавильных агрегатов, внепечная обработка стали стала неотъемлемой частью сталеплавильного производства.

     В настоящее время в мировой  практике методами внепечной металлургии  обрабатывают сотни миллионов тонн стали. Быстрое и широкое распространение  внепечной обработки объясняется  многими положительными моментами, главными из которых являются:

     -упрощение  технологии конвертерной плавки, так как появляется возможность  продувки металла кислородом  до низких содержаний углерода  с последующей корректировкой  состава по углероду и другим  примесям [2,3];

     - создание условий для ведения  конвертерной плавки с очень  малым количеством шлака ("бесшлаковая"  технология), с малым расходом  материалов, меньшими потерями железа в шлак и т.д. [2,4];

     - замена двухшлаковой технологии  электроплавки на одношлаковую  без скачивания шлака (уменьшаются  продолжительность плавки, расход  электроэнергии, увеличивается производительность  и т.д. [9]);

     -обеспечение  надёжной и высокопроизводительной работы машин непрерывной разливки стали с возможностью регулировки требуемой от плавки к плавке температуры и получение металла чистого от вредных примесей, прежде всего по сере [5,6];

• получение более дешёвыми методами и в больших количествах особо чистой стали с ничтожным содержанием нежелательных примесей. Это, в свою очередь, позволяет получать сталь новых марок с очень высокими показателями прочности и пластичности;
• изменение структуры и типа потребляемых ферросплавов и раскислителей в сторону снижения требований к составу и соответствующее их удешевление [8];
• широкое внедрение технологии «прямого легирования» с использованием природно-легированных руд, а также материалов из шлаковых отвалов и различных отходов смежных производств;

     - возможность разработки безотходной  технологии литья.

     Эти и многие другие достоинства сталеплавильных технологий с использованием методов внепечной обработки привели к тому, что сегодня работа сталеплавильных цехов немыслима без наличия в их составе агрегатов внепечной обработки. Внепечная обработка решает следующие проблемы: уменьшение разброса данных по химическому составу металла и его температуры, глубокая десульфурация, легирование, глубокое обезуглероживание, раскисление, дегазация, уменьшение содержания неметаллических включений.

       В настоящее время разрабатываются технологии применения при выплавке конструкционных марок сталей алюминиевых гранул [19]. Они применяются для раскисления стали при выплавке, для легирования специальных марок стали алюминием и при обработке жидкой стали синтетическими шлаками в ковше. Применение алюминия в виде гранул, массой несколько граммов, ускоряет процесс их расплавления и растворения в основной массе жидкой стали, что в конечном счёте ведёт к более эффективному раскислению стали и снижению расхода раскислителя.

     Изготовление  гранул основано на использовании поверхностного натяжения жидкостей. Жидкий алюминий заливают в чашу гранулятора и, протекая через отверстия в днище чаши, он на воздухе разделяется на отдельные капли и быстро затвердевает в воде.

     Разработка  технологии изготовления гранулированного алюминия производилась в фасонолитейном цехе (ФЛЦ) ОАО "НЛМК", а исследование технологии применения алюминиевых  гранул производилось в ККЦ-1 и  ККЦ-2 ОАО "НЛМК". 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Особенности технологии  внепечной обработки  при производстве  высококачественной  стали.

1. Основные методы внепечной обработки стали

        Внепечная обработка стали начала активно применяться для повышения производительности сталеплавильных печей и конвертеров, позволяя вынести часть процессов рафинирования из этих агрегатов в ковш [7]. Однако уже начало внедрения современных процессов внепечной обработки показало, что они позволяют существенно улучшить качество стали. Внепечной обработкой оказалось возможным не только существенно улучшить качество стали (механические свойства, коррозионную стойкость, электротехнические показатели и др.), но и получить сталь с принципиально новыми свойствами, например сталь со свободными междоузлиями, содержащую С 0,003 % и N 0,004 % и не имеющую предела текучести, т.е. способную работать до предела прочности [11, 20]. В сталеплавильных печах и конвертерах такую сталь получить невозможно.

     Появилась возможность гарантированно получать сталь с узкими пределами содержания элементов. Это позволило уменьшить коэффициент запаса прочности, учитываемым при проектировании, с обычных 1,5-3,0 до 1,2-1,4, т.е. примерно в два раза при сохранении высокого качества стали, её однородности, низкого содержания включений [22, 24]. Соответственно уменьшены массы машин и конструкций, их габариты, стоимость транспортировки.

     Наиболее  простым способом внепечной обработки стали с целью улучшения её качества является продувка жидкого металла в ковше инертным газом. Пузырьки газа, всплывающие при продувке через весь слой металла, способствуют его рафинированию. При увеличении интенсивности массопереноса в ковше происходит выравнивание состава и температуры в объёме металла. Интенсивное перемешивание ускоряет доставку неметаллических включений к поверхности металл - шлак и удаление их из стали. Этому же способствует удаление неметаллических включений пузырьками продуваемого газа вследствие их адсорбции на поверхности этих пузырьков. Так как парциальное давление водорода в пузырьках инертного газа равно нулю, они по отношению к водороду являются в некотором смысле вакуумными полостями и экстрагируют его из металла [21].

     Продувку  инертным газом в ковше широко применяют и в сочетании с  другими способами внепечной  обработки (вакуумом, порошками) для интенсификации массо - и теплообменных процессов. Наиболее часто для продувки в ковше используют аргон, который получают на кислородных станциях металлургических заводов при разделении воздуха с целью производства кислорода.

     Иногда  для продувки металла в ковше  применяют азот. Это возможно, когда  сталь не содержит нитридообразующих  элементов, имеющих высокое химическое сродство к азоту (циркония, титана, ванадия). Такие элементы, если и  не связывают азот в нитриды при  температурах внепечной обработки  вследствие малых концентраций, то понижают его активность, вызывая повышение растворимости.

     Расход  инертного газа при продувке обычно составляет 0,3-2,0 м³/т стали. Газ в металл подают через погружаемую фурму ("ложный стопор"), через пористую огнеупорную пробку в днище ковша или через пористые швы в днище ковша. "Ложный стопор" представляет собой стальную трубу, футерованную снаружи огнеупорными катушками. Для усиления эффекта иногда используют стопоры с огнеупорной пробкой, насажанной на выходную часть трубы и имеющей расположенные радиально или перпендикулярно оси стопора отверстия для выхода газа. Стопор опускают в металл сверху до уровня на 200...300 мм выше днища ковша [34, 37]. Однако ложные стопоры для продувки имеют и недостатки, поскольку представляют собой устройства одноразового использования. Ещё более существенно то, что во время продувки наиболее интенсивное движение металла и газа происходит вдоль стопора (даже при использовании пробок, направляющих газ радиально или горизонтально). Вследствие этого огнеупорная футеровка стопора быстро размывается, и частицы её поступают в металл, отрицательно влияя на возможность его очистки от неметаллических включений [36]. Поэтому использование ложных стопоров для продувки металла инертным газом не нашло широкого применения.

     На  отечественных заводах также  применяют продувку инертным газом  через шиберный затвор. Этот способ отличается простотой устройства и отсутствием необходимости специальных переделок в футеровке ковша. При установке разливочного стакана в гнездо ковша в него вводят трубку для продувки аргоном и засыпают стакан и верхнюю часть гнезда ковша магнезитовой крошкой. С начала выпуска стали в ковш начинают продувку аргоном, который в первый момент пробивает ход в подсыпке, образуя своеобразное "сопло" [41].

     Продувка  аргоном через трубку, установленную  в шиберном затворе, имеет преимущество по сравнению с другими способами  продувки, поскольку при одинаковом расходе газа она обеспечивает большую мощность перемешивания вследствие большей кинетической энергии поступающей в жидкий металл газовой струи.

     Продувку  инертным газом обычно производят после полного раскисления стали, включая присадки алюминия, имеющего большую раскислительную способность. Интенсивность продувки и её продолжительность зависят от массы металла и требуемого результата. Обычно продувка продолжается от 3 до 10 мин.

     Если  продувать инертным газом сталь, не раскисленную алюминием, что делают редко, то на поверхности пузырьков, в которых парциальное давление оксида углерода  возможно протекание реакции окисления углерода   [С] + [О] = СО_газ, т.е. раскисление углеродом в вакууме. Результатом этого является снижение окисленности стали и уменьшение содержания оксидных включений после полного раскисления алюминием [42]. Однако основная часть неметаллических включений при продувке инертным газом удаляется механическим путём вследствие их выноса к поверхности металла со шлаком. Поэтому углеродное раскисление продувкой инертным газом не полностью раскисленного металла не нашло применения.

       Вследствие выравнивания состава и температуры металла, снижения содержания в нём неметаллических включений сталь, обработанная инертным газом в ковше, имеет повышенные пластические свойства и ударную вязкость, а также пониженную анизотропность механических свойств.

     Другим  видом внепечной обработки стали  является обработка металла вакуумом. Обработка металла вакуумом (снижение давления над расплавом) влияет на протекание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза. Газовая фаза образуется, в частности при протекании реакции окисления углерода; газовая фаза образуется при протекании процессов выделения растворенных в металле водорода и азота, а также процессов испарения примесей цветных металлов [43]. Обработка вакуумом воздействует на характер протекания именно этих реакций.

     В настоящее время в различных  странах успешно работают сотни установок внепечного вакуумирования различных конструкций. Самым простым способом является способ вакуумирования в ковше. Лучшие результаты при этом получаются при вакуумировании нераскисленного металла. Растворённый в металле кислород взаимодействует при вакуумировании с растворённым в металле углеродом; из ванны, кроме того, энергично выделяется растворённый в металле водород и ванна вскипает [44]. После интенсивной дегазации в металл вводят раскислители и легирующие добавки. Недостатком вакуумирования в ковше является невысокая эффективность метода при вакуумировании относительно больших масс металла (> 50 т) и неравномерность состава металла в ковше после ввода раскислителей и легирующих вследствие слабого перемешивания всей массы металла [45]. Положение улучшается в случае, когда предусматривается продувка металла в ковше инертным газом. Но при этом к обычным потерям тепла при выпуске и выдержке в ковше добавляются потери тепла в результате нагрева продуваемого через металл газа [44, 45].

         В настоящее время наиболее  распространёнными способами обработки  металла вакуумом в ковше являются:

     1) помещение ковша с металлом  в вакуумную камеру и последующее перемешивание металла инертным газом; раскислители вводят в ковш из бункера, находящегося в вакуумной камере; данный метод часто называют "ковшовым вакуумированием";

     2) вакуумирование при переливе  из ковша в ковш или из  ковша в изложницу; поскольку  обработке вакуумом подвергается "струя" металла, данный метод  называют "струйным вакуумированием"  или "вакуумирование струи";

     3) порционное вакуумирование;

     4) циркуляционное вакуумирование.

     Два последних способа в настоящее время получили наибольшее распространение. В производстве высококачественного металла стали применять метод вдувания порошков различного состава.

     Целью продувки металла порошкообразными материалами (или вдувание в металл порошкообразных материалов) является обеспечение максимального контакта вдуваемых твёрдых реагентов с металлом, максимальной скорости взаимодействия реагентов с металлом и высокой степени использования вдуваемых реагентов. Достоинством метода является введение реагента и металла струёй газа-носителя, который оказывает положительное воздействие на металл [39, 46]. Газом-носителем может быть: